(57)【要約】【課題】マイクロ波パワーのロスが小さく、マイクロ波パワー効率の低下やアンテナ内部での異常放電が発生し難いマイクロ波プラズマ処理装置を提供すること。【解決手段】マイクロ波によって前記チャンバー内に処理ガスのプラズマを形成し、そのプラズマにより被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置１００であって、平面アンテナ３１とマイクロ波透過板２８とは実質的に空気を介さずに密着して形成されており、遅波板３３とマイクロ波透過板２８とは同じ材質で形成され、遅波板３３、平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８、プラズマで形成される等価回路が、共振条件を満たす。【選択図】図１
2006244891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体が収容されるチャンバーと、
マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、
マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波手段と、
前記導波手段に導かれたマイクロ波を前記チャンバーに向けて放射する複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、
前記チャンバーの天壁を構成し、前記平面アンテナのマイクロ波放射孔を通過したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、
前記平面アンテナの前記マイクロ波透過板と反対側に設けられ、前記平面アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする機能を有する、誘電体からなる遅波板と、
前記チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と
を有し、
マイクロ波によって前記チャンバー内に処理ガスのプラズマを形成し、そのプラズマにより被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記平面アンテナと前記マイクロ波透過板とは実質的に空気を介さずに密着して形成されており、
前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは同じ材質で形成され、
遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、プラズマで形成される等価回路が、共振条件を満たすことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項２】
被処理体が収容されるチャンバーと、
マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、
マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波手段と、
前記導波手段に導かれたマイクロ波を前記チャンバーに向けて放射する複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、
前記チャンバーの天壁を構成し、前記平面アンテナのマイクロ波放射孔を通過したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、
前記平面アンテナの前記マイクロ波透過板と反対側に設けられ、前記平面アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする機能を有する、誘電体からなる遅波板と、
前記チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と
を有し、
マイクロ波によって前記チャンバー内に処理ガスのプラズマを形成し、そのプラズマにより被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記平面アンテナと前記マイクロ波透過板とは実質的に空気を介さずに密着して形成されており、
前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは、これらの誘電率の値の比が７０％〜１３０％となるような材質で形成され、
遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、プラズマで形成される等価回路が、共振条件を満たすことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記マイクロ波透過板の厚さは、導入されるマイクロ波の波長の１／２〜１／４の範囲であり、前記平面アンテナのマイクロ波反射率が０．４〜０．８の範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記導波手段は、前記マイクロ波発生源から発生したマイクロ波をＴＥモードで伝搬する矩形導波管と、ＴＥモードをＴＥＭモードに変換するモード変換器と、ＴＥＭモードに変換されたマイクロ波を前記平面アンテナに向けて伝搬する同軸導波管とを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記平面アンテナに形成された複数マイクロ波放射孔は、長溝状をなし、隣接するマイクロ波放射孔同士が交差するように配置され、これら複数のマイクロ波放射孔が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項６】
前記遅波板および平面アンテナを覆うように設けられた蓋体をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項７】
前記蓋体には冷媒流路が設けられており、この冷媒流路に冷媒を通流させることにより、前記遅波板、平面アンテナ、前記マイクロ波透過板を冷却することを特徴とする請求項６に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項８】
マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚであり、遅波板とマイクロ波透過板の比誘電率は３．５〜４．５であり、スロットは二重に配されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項９】
遅波板とマイクロ波透過板は石英であり、マイクロ波プラズマ装置はプラズマエッチング装置あるいはプラズマ表面改質装置であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１０】
遅波板とマイクロ波透過板はアルミナであり、マイクロ波プラズマ装置はプラズマＣＶＤ装置であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理体にマイクロ波プラズマによる処理を施すマイクロ波プラズマ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術であるが、近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。
【０００３】
ところが、従来から多用されてきた平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置では、電子温度が高いため微細素子にプラズマダメージを生じてしまい、また、プラズマ密度の高い領域が限定されるため、大型の半導体ウエハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。
【０００４】
そこで、高密度で低電子温度のプラズマを均一に形成することができるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば特許文献１）。
【０００５】
ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバーの上部に所定のパターンで多数のスロットが形成された平面アンテナ（Radial Line Slot Antenna）を設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、平面アンテナのスロットから放射させるとともに、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバー内に放射し、このマイクロ波電界によりチャンバー内に導入されたガスをプラズマ化し、このように形成されたプラズマにより半導体ウエハ等の被処理体を処理するものである。
【０００６】
このＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置では、アンテナ直下の広い領域に亘って高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。また、低電子温度プラズマが形成されるため、素子へのダメージ小さい。
【０００７】
このＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置においては、マイクロ波透過板におけるマイクロ波電界分布を調整し、プラズマモードを安定させるために、平面アンテナとマイクロ波透過板との間にエアーギャップを設ける技術が知られている（非特許文献１）。
【０００８】
しかしながら、このように平面アンテナとマイクロ波透過板との間にエアーギャップを設けると、マイクロ波透過板を構成する誘電体よりもエアーギャップのインピーダンスが高いため、エアーギャップでのマイクロ波パワーロスが大きい。その結果、マイクロ波パワー効率の低下や、アンテナ内部での異常放電が発生しやすくなってしまう。
【特許文献１】特開２０００−２９４５５０号公報
【非特許文献１】Jpn. Appl. Phys. Vol.38 (1999) pp.2082-2088 Part l, No. 4A, April 1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、マイクロ波パワーのロスが小さく、マイクロ波パワー効率の低下やアンテナ内部での異常放電が発生し難いマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、被処理体が収容されるチャンバーと、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波手段と、前記導波手段に導かれたマイクロ波を前記チャンバーに向けて放射する複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、前記チャンバーの天壁を構成し、前記平面アンテナのマイクロ波放射孔から放射したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、前記平面アンテナの前記マイクロ波透過板と反対側に設けられ、前記平面アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする機能を有する、誘電体からなる遅波板と、前記チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを有し、マイクロ波によって前記チャンバー内に処理ガスのプラズマを形成し、そのプラズマにより被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記平面アンテナと前記マイクロ波透過板とは実質的に空気を介さずに密着して形成されており、前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは同じ材質で形成され、遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、プラズマで形成される等価回路が、共振条件を満たすことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置を提供する。
【００１１】
また、本発明は、被処理体が収容されるチャンバーと、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波手段と、前記導波手段に導かれたマイクロ波を前記チャンバーに向けて放射する複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、前記チャンバーの天壁を構成し、前記平面アンテナのマイクロ波放射孔を通過したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、前記平面アンテナの前記マイクロ波透過板と反対側に設けられ、前記平面アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする機能を有する、誘電体からなる遅波板と、前記チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを有し、マイクロ波によって前記チャンバー内に処理ガスのプラズマを形成し、そのプラズマにより被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記平面アンテナと前記マイクロ波透過板とは実質的に空気を介さずに密着して形成されており、前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは、これらの誘電率の値の比が７０％〜１３０％となるような材質で形成され、遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、プラズマで形成される等価回路が、共振条件を満たすことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置を提供する。
【００１２】
上記いずれの発明においても前記マイクロ波透過板の厚さは、導入されるマイクロ波の波長の１／２〜１／４の範囲、より好ましくは１／２〜１／３の範囲であり、前記平面アンテナのマイクロ波反射率が０．４〜０．８の範囲である。これにより、上記等価回路が共振条件を満たし得る。
【００１３】
前記導波手段としては、前記マイクロ波発生源から発生したマイクロ波をＴＥモードで伝搬する矩形導波管と、ＴＥモードをＴＥＭモードに変換するモード変換器と、ＴＥＭモードに変換されたマイクロ波を前記平面アンテナに向けて伝搬する同軸導波管とを有するものを採用することができる。
【００１４】
また、前記平面アンテナに形成された複数マイクロ波放射孔としては、長溝状をなし、隣接するマイクロ波放射孔同士が交差するように配置され、これら複数のマイクロ波放射孔が同心円状に配置されるものを好適に用いることができる。
【００１５】
さらに、前記遅波板および平面アンテナを覆うように設けられた蓋体をさらに具備することができ、その場合には、前記蓋体には冷媒流路が設けられており、この冷媒流路に冷媒を通流させることにより、前記遅波板、平面アンテナ、前記マイクロ波透過板を冷却することが好ましい。
【００１６】
さらにまた、周波数は２．４５ＧＨｚであり、遅波板とマイクロ波透過板の比誘電率は３．５〜４．５であり、スロットは二重に配されている構成とすることができる。
【００１７】
さらにまた、遅波板とマイクロ波透過板が石英である場合に、マイクロ波プラズマ装置がプラズマエッチング装置あるいはプラズマ表面改質装置とであることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、遅波板とマイクロ波透過板がアルミナである場合に、マイクロ波プラズマ装置がプラズマＣＶＤ装置であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、平面アンテナとマイクロ波透過板との間が密着した状態となっており、従来のようなエアーギャップが形成されていないため、エアーギャップでマイクロ波パワーロスが生じることがなく、マイクロ波パワー効率の低下やアンテナ内部での異常放電を発生し難くすることができる。
【００２０】
また、単にエアーギャップをなくしただけでは、マイクロ波の反射が大きくなり、プラズマの安定性が悪くなるおそれがあるが、本発明によれば、遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、およびプラズマで形成される等価回路が共振するようにしてマイクロ波の反射を極小にし、かつ、遅波板とマイクロ波透過板を同じ材質、あるいはこれらの誘電率の値の比が７０％〜１３０％となるような材質としてマイクロ波の界面反射を防止するようにしたので、プラズマを安定に維持しつつマイクロ波パワー効率の低下やアンテナ内部での異常放電を発生し難くすることができる。
【００２１】
さらに、前記遅波板および平面アンテナを覆うように蓋体を設け、この蓋体に冷媒流路を設け、この冷媒流路に冷媒を通流させることにより、前記遅波板、平面アンテナ、前記マイクロ波透過板を冷却する場合には、エアーギャップが存在しないことにより従来熱伝導性の低いエアーギャップの存在により冷却効率が悪かったマイクロ波透過板の冷却を十分行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。
【００２３】
このマイクロ波プラズマ処理装置１００は、所定のパターンで多数のスロットが形成された平面アンテナ（Radial Line Slot Antenna）を利用してマイクロ波発生源から導かれたマイクロ波をチャンバー内に放射し、プラズマを形成するＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置として構成されている。
【００２４】
このマイクロ波プラズマ処理装置１００は、気密に構成されかつ接地された略円筒状のチャンバー１を有している。チャンバー１の底壁１ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。チャンバー１内には被処理基板であるウエハＷを水平に支持するためのＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ２が設けられている。このサセプタ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材３により支持されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ２には抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれており、このヒータ５はヒータ電源６から給電されることによりサセプタ２を加熱して、その熱で被処理体であるウエハＷを加熱する。チャンバー１の内周には、石英からなる円筒状のライナー７が設けられている。
【００２５】
サセプタ２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００２６】
チャンバー１の側壁には環状をなすガス導入部材１５が設けられており、このガス導入部材１５には処理ガス供給系１６が接続されている。ガス導入部材はシャワー状に配置してもよい。この処理ガス供給系１６から所定の処理ガスがガス導入部材１５を介してチャンバー１内に導入される。処理ガスとしては、プラズマ処理の種類に応じて適宜のものが用いられる。例えば、タングステン系ゲート電極の選択酸化処理のような酸化処理を行う場合には、Ａｒガス、Ｈ２ガス、Ｏ２ガス等が用いられる。
【００２７】
上記排気室１１の側面には排気管２３が接続されており、この排気管２３には高速真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。そしてこの排気装置２４を作動させることによりチャンバー１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に排出され、排気管２３を介して排気される。これによりチャンバー１内は所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。
【００２８】
チャンバー１の側壁には、プラズマ処理装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２５と、この搬入出口２５を開閉するゲートバルブ２６とが設けられている。
【００２９】
チャンバー１の上部は開口部となっており、この開口部の周縁部に沿ってリング状の支持部２７が設けられており、この支持部２７に誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３等のセラミックスからなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板２８がシール部材２９を介して気密に設けられている。したがって、チャンバー１内は気密に保持される。
【００３０】
マイクロ波透過板２８の上方には、サセプタ２と対向するように、円板状の平面アンテナ３１が設けられている。この平面アンテナ３１はチャンバー１の側壁上端に係止されている。平面アンテナ３１は、導体、例えば表面が金メッキされた銅板またはアルミニウム板からなり、多数のマイクロ波放射孔（スロット）３２が所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。すなわち、平面アンテナ３１はＲＬＳＡアンテナを構成している。このマイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように長溝状をなし、隣接するマイクロ波放射孔３２同士が交差するように、典型的には図示のように直交するように（「Ｔ」字状に）配置され、これら複数のマイクロ波放射孔３２が同心円状に配置されている。マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長等に応じて決定される。なお、図２において、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔３２同士の間隔Δｒ（中心から一番内側のマイクロ波放射孔３２までの間隔も同じ）を後述する遅波板３３中におけるマイクロ波の波長とし、平面アンテナ３１の中心から最内周のマイクロ波放射孔３２までの長さもΔｒとすると、ここから強い電界が放射されることとなり好ましく、図示例では４ターンのマイクロ波放射孔が配置されている。また、マイクロ波放射孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。また、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず同心円状の他、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。
【００３１】
この平面アンテナ３１の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する誘電体からなる遅波板３３が設けられている。この遅波板３３は、真空中におけるマイクロ波の波長よりも遅波板中におけるマイクロ波の波長を短くする機能を有している。
【００３２】
チャンバー１の上面には、これら平面アンテナ３１および遅波板３３を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材からなるシールド蓋体３４が設けられている。チャンバー１の上面とシールド蓋体３４とはシール部材３５によりシールされている。
【００３３】
シールド蓋体３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８、遅波板３３、シールド蓋体３４を冷却するようになっている。なお、シールド蓋体３４は接地されている。
【００３４】
シールド蓋体３４の上壁の中央には開口部３６が形成されており、この開口部には導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介して上記平面アンテナ部材３１へ伝搬されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。
【００３５】
導波管３７は、上記シールド蓋体３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部に接続された水平方向に延びる断面矩形状の矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂの同軸導波管３７ａとの接続部側の端部にはモード変換器４０が設けられている。同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在しており、この内導体４１の下端部は平面アンテナ３１の中心に接続固定されている。
【００３６】
プラズマ処理装置１００の各構成部は、プロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインタフェース５１が接続されている。
【００３７】
また、プロセスコントローラ５０には、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラムや処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部５２が接続されている。
【００３８】
そして、必要に応じて、ユーザーインタフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマ処理装置１００での所望の処理が行われる。
【００３９】
次に、本実施形態における遅波板３３、平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８についてさらに詳細に説明する。
本実施形態においては、図１に示すように、平面アンテナ３１とマイクロ波透過板２８との間が密着した状態となっており、従来のようなエアーギャップが形成されていない。また、遅波板３３と平面アンテナ３１との間も密着されている。しかし、単にエアーギャップをなくすと、モード変換器４０から見たマイクロ波の反射が大きくなり、プラズマの安定性が悪くなるとともに、効率的にも劣るものとなる。
【００４０】
そこで、本実施形態においては、遅波板３３、平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８、およびプラズマで形成される図３に示すような等価回路が共振条件を満たすようにし、かつ、遅波板３３とマイクロ波透過板２８を同じ材質とする。上記等価回路が共振条件を満たすようにすることにより、マイクロ波の反射を極小にすることができ、また遅波板３３とマイクロ波透過板２８を同じ材質とすることによりマイクロ波の界面反射を防止することができる。これにより、プラズマの安定性を高くしつつマイクロ波パワーの効率を高く維持することができる。
【００４１】
遅波板３３およびプラズマ透過板２８はコンデンサーとして機能し、平面アンテナ３１は抵抗として機能し、プラズマはコイルとして機能し、図３の等価回路に示すように、遅波板３３のキャパシタンスをＣ１、プラズマ透過板２８のキャパシタンスをＣ２、平面アンテナ３１の抵抗をＲ、プラズマのインダクタンスをＬとし、さらにマイクロ波の周波数をｆとすると、共振となるためには、以下の（１）式が成り立つ必要がある。
【数１】
2006244891.tif 000003
ここで、Ｃは、Ｃ＝１／｛（１／Ｃ１）＋（１／Ｃ２）｝である。
【００４２】
このような共振条件を満たすためには、キャパシタンスを規定するマイクロ波透過板２８の厚さが、マイクロ波透過板２８中におけるマイクロ波の波長の１／２〜１／４（1/2λ〜1/4λ）の範囲であること、および平面アンテナ３１のモード変換器４０から見たマイクロ波反射率（パワー反射係数）が０．４〜０．８の範囲内であることが必要である。
【００４３】
マイクロ波透過板２８の厚さに関しては、共振条件を規定する上記（１）式は、キャパシタンスの項が含まれており、キャパシタンスの大きさは厚さに反比例する。ここでキャパシタンスＣ１（遅波板３３）は薄い方が効率良く平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８を冷却することができるので、キャパシタンスＣの大きさに対して、より支配的となるキャパシタンスＣ２（マイクロ波透過板２８）の厚さを共振となり得る範囲に規定する。マイクロ波透過板２８の厚さが導入されるマイクロ波の波長の１／２より大きいか１／３より小さいと共振条件領域が狭くなり、さらに１／４より小さくなると共振することは困難となる。
【００４４】
ここで、マイクロ波透過板２８の厚さとしては、図４の（ａ）に示すように、その形状が平坦な場合には、その実際の厚さｄ１が用いられ、その際のマイクロ波透過板２８のキャパシタンスをＣＦ、その比誘電率をε０とし、表面積をＳ１とすると、以下の（２）式が成り立つ。
ＣＦ＝ε０（Ｓ１／ｄ１）        …（２）
一方、マイクロ波透過板２８が複雑形状の場合には、その厚さとしては、キャパシタンスの計算式から求めた相当厚さｄ２を用いる。すなわち、複雑形状のマイクロ波透過板２８のキャパシタンスをＣＣ、表面積をＳ２とすると、以下の（３）式が成り立つ。ここで表面積Ｓ２は必ず求められるから、複雑形状でｄ２が求めにくい場合はＣＣを実測した後、この式から逆算して相当厚さｄ２をマイクロ波透過板２８の厚さとすることができる。
ＣＣ＝ε０（Ｓ２／ｄ２）        …（３）
なお、この際の相当厚さｄ２は、図４の（ｂ）に示すような凹凸の平均厚さに相当する。
【００４５】
平面アンテナ３１のマイクロ波反射率を０．４〜０．８の範囲内としたのは、反射率が０．４より低いと周波数が変化した際の位相の変化が大きいので共振条件に調整することが困難となり、０．８を超えると本質的に共振条件を満たし難くなるからである。
【００４６】
なお遅波板３３とマイクロ波透過板２８とは、同一材質である方が好ましいが、異なる材質であってもその誘電率の比が７０％から１３０％の範囲であれば、必ず共振させ得るということがシミュレーションにより確認されている。
【００４７】
このように構成されたプラズマ処理装置１００においては、まず、ゲートバルブ２６を開にして搬入出口２５から被処理体であるウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。
【００４８】
そして、ガス供給系１６から所定の処理ガスをガス導入部材１５を介してチャンバー１内に導入し、所定の圧力に維持する。例えば、タングステン系ゲート電極の選択酸化処理のような酸化処理を行う場合には、処理ガスとしてＡｒガス、Ｈ２ガス、Ｏ２ガス等をチャンバー１内に導入し、チャンバー１内の圧力を例えば３〜７００Ｐａとする。
【００４９】
次いで、マイクロ波発生装置３９からのマイクロ波をマッチング回路３８を経て導波管３７に導く。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａ、遅波板３３を順次通って平面アンテナ部材３１に供給され、平面アンテナ部材３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ部材３１に向けて伝搬されていく。
【００５０】
平面アンテナ部材３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１に放射されたマイクロ波によりチャンバー１内では導入された処理ガスがプラズマ化し、このプラズマにより酸化処理等の所定の処理が行われる。
【００５１】
本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１００は、略１０１２／ｃｍ３以上の高プラズマ密度でかつ略１．５ｅＶ以下の低電子温度プラズマを実現することができる。このため、低温かつ短時間でプラズマ処理を行うことができ、しかも下地膜へのイオン等のプラズマダメージが小さい等のメリットがある。
【００５２】
また、本実施形態においては、図１に示すように、平面アンテナ３１とマイクロ波透過板２８との間が密着した状態となっており、従来のようなエアーギャップが形成されていないため、エアーギャップでマイクロ波パワーロスが生じることがない。またマイクロ波パワー効率の低下や、アンテナ内部におけるマイクロ波放射孔（スロット）３２のギャップ間、遅波板３３周辺にて発生しやすい異常放電を防止することができる。
【００５３】
しかし、単にエアーギャップをなくしただけでは、モード変換器４０から見たマイクロ波の反射が大きくなり、プラズマの安定性が悪くなるおそれがある。これに対して、本実施形態においては、遅波板３３、平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８、およびプラズマで形成される等価回路が共振するようにしてマイクロ波の反射を極小にし、かつ、遅波板３３とマイクロ波透過板２８を同じ材質としてマイクロ波の界面反射を防止するようにしたので、プラズマを安定に維持しつつマイクロ波パワー効率の低下やアンテナ内部での異常放電を発生し難くすることができる。なお、平面アンテナ３１とマイクロ波透過板２８は、その間に実質的に空気を介さずに密着していればよく、密着誤差や、熱膨張等によるわずかな隙間があっても０．１ｍｍ以下であれば許容される。
【００５４】
また、平面アンテナ３１とマイクロ波透過板２８との間には熱伝導性の低い、エアーギャップが存在しないので、シールド蓋体３４に形成された冷却水流路３４ａに冷却水を通流させて、平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８、遅波板３３、シールド蓋体３４を冷却する際に、従来冷却効率が悪かったマイクロ波透過窓２８を効率良く冷却することができる。
【００５５】
次に、本発明の効果を確認した実験について説明する。
ここでは、遅波板３３、平面アンテナ３１、プラズマ透過板２８を以下のようにした。
遅波板：石英製、径φ３２９ｍｍ、厚さ７ｍｍ
平面アンテナ：径φ３４４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ
プラズマ透過板：石英製、径φ３６２ｍｍ、厚さ３１．３ｍｍ(=1/2λ）、
フラットタイプ、平面アンテナに密着した一体型
【００５６】
また、電気特性を以下のようにした。
周波数：２．４５ＧＨｚ
パワー密度：  ２．６７Ｗ／ｃｍ２（at ２７５０Ｗ）、２．９１Ｗ／ｃｍ２
（at ３０００Ｗ）
入力インピーダンス：５０Ω（２．４５ＧＨｚ）
パワー反射係数：０．７５（２．４５ＧＨｚ）
【００５７】
以上の条件で、プラズマ透過板の中における電界分布のシミュレーションを行った。解析条件としては、プラズマ放射孔（スロット）を図５に示すように２ターン形成し、長溝状の隣接するマイクロ波放射孔３２同士が「Ｌ」字状に配置され、これら複数のマイクロ波放射孔３２が同心円状に配置されたものとし、プラズマ密度は１×１０１２／ｃｍ３とした。その結果、図５に示すように、電界分布は比較的均一であり、３×１０２Ｖ／ｍ以上の高い電界強度の部分が多く、４×１０２Ｖ／ｍ以上の部分も見られ、マイクロ波パワーのロスが少ないことが確認された。
【００５８】
以上の条件で実際にプラズマを形成し、電子温度分布および電子密度分布を求めた。その際の処理ガスとしてＡｒを用い、チャンバー内圧力を１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）とし、マイクロ波パワーを２７５０Ｗとした。図６に電子温度分布を示し、図７に電子密度分布を示す。
【００５９】
図６に示すように、電子温度が１．６ｅＶ以下でかつその分布のばらつきが小さく、また、図７に示すように、電子密度がほぼ１×１０１２／ｃｍ３以上でかつその分布のばらつきも小さく、低電子温度かつ高密度のプラズマが安定して形成されていることが確認された。
【００６０】
次に、本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置と、従来のエアーギャップを設けたマイクロ波プラズマ処理装置とで、マイクロ波透過板の中におけるマイクロ波電界強度をシミュレーションした結果について説明する。条件は、本発明の場合、遅波板３３、平面アンテナ３１、プラズマ透過板２８および電気特性を上記効果確認のための実験と同様とし、またプラズマ密度は１×１０１０／ｃｍ３とし、従来例の場合には、これらに加えてエアーギャップの長さを２０ｍｍとした。この際の結果を図８（ａ）および（ｂ）に示す。（ａ）に示すように、本発明の装置では１．７５×１０１Ｖ／ｍ以上という高いマイクロ波電界強度の部分が見られるが、（ｂ）に示すように、従来技術では５Ｖ／ｍ以下の低い部分が多く、本発明により従来よりもマイクロ波電解強度が著しく高まることがわかった。また、マイクロ波電界強度の均一性は本発明と従来技術とで大きな差がみられないことが判明した。
【００６１】
いままで述べてきたような本発明の思想に基づく好適な半導体製造装置として、マイクロ波透過板２８と遅波板３３とがアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）により構成される装置、あるいはこれらが石英（ＳｉＯ２）により構成される装置を挙げることができる。
【００６２】
マイクロ波透過板２８と遅波板３３とがアルミナにより構成される装置が好適に適用される例としては、プラズマＣＶＤ装置を挙げることができる。これは、マイクロ波透過板２８とプラズマの活性種等とが反応しマイクロ波透過板２８を構成する元素を含むガスが発生した場合、これが被処理体上に成膜している膜中に取り込まれ膜質を劣化させる可能性があるが、ここでマイクロ波透過板２８がアルミナ製であればアルミナは緻密であるため、例えば石英等に比べて酸素の放出量が１桁程度低くなるためである。また例えばアルミナと他の材料を積層してなる、アルミナに近い誘電率を持つ異なる材料にてマイクロ波透過板２８と遅波板３３を構成してもよい。この場合には、これらの誘電率の値の比が共振条件を満足させ得る７０％から１３０％の間となるように、比誘電率が７．４から９．６の材料を種々組み合わせてこれらを構成することができる。
【００６３】
一方、マイクロ波透過板２８と遅波板３３とが石英により構成される装置が好適に適用される例としては、プラズマエッチング装置あるいはプラズマ表面改質装置を挙げることができる。これはエッチングや表面改質用のプロセス条件では、イオン衝撃によりマイクロ波透過板２８がスパッタされるため、この時マイクロ波透過板２８を構成する元素が金属を含むと被処理体に金属汚染を引き起こす可能性があり、例えばアルミナ等は使用できないからである。このような場合にマイクロ波透過板２８が石英製であれば、多くの場合被処理体がシリコンウエハ、ガラス基板であり、これらと石英は同じ元素Ｓｉを主成分とするものであるので金属汚染を引き起こすことはない。
【００６４】
さらにマイクロ波透過板２８と遅波板３３とが石英により構成される装置において、同心円状に形成され隣接するマイクロ波放射孔３２同士の間隔と、平面アンテナ３１の中心から最内周のマイクロ波放射孔３２までの長さをΔｒとし（図２参照）、Δｒ＝（遅波板中でのマイクロ波の波長）とすると、マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合、マイクロ波放射孔３２は２ターン形成される。ここで平面アンテナ３１としては、現在の装置主流である３００ｍｍウエハを処理する装置を想定しており、平面アンテナ３１の直径も略３００ｍｍとしている。これに対して、マイクロ波透過板２８と遅波板３３とがアルミナであれば、マイクロ波放射孔３２は３ターン形成されることになる。この両者を比較するに、３ターンの装置は２ターンの装置に比べてスロットの設計や調整が極めて困難である。例えば３ターンの装置では、中間ターンのスロットの数を増やしたからといって、その直下のプラズマ密度が上がるわけではなく、プラズマ空間の中心の密度が減少して外周の密度が高くなる場合や、その逆もありうる。これは中間ターンのスロットから放射されるマイクロ波は、内周ターンおよび外周ターンのスロットから放射される電磁波と互いに干渉するからである。このような観点からは、マイクロ波透過板２８と遅波板３３とを構成する材料として、マイクロ波放射孔３２が２ターン形成される石英が好ましい。また、例えば石英と他の材料を積層してなる、石英に近い誘電率を持つ異なる材料にてマイクロ波透過板２８と遅波板３３を構成してもよい。この場合には、これらの誘電率の値の比が共振条件を満足させ得る７０％から１３０％の間となるように、比誘電率が３．５から４．５の材料を種々組み合わせてこれらを構成することができる。この場合にも、マイクロ波透過板２８と遅波板３３とが石英の場合と同様、マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合、マイクロ波放射孔３２は２ターン形成される。
【００６５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。たとえば、処理装置の構成は本発明の構成要件を満たす限り上記実施形態に限るものではない。また、対象のプラズマ処理は、酸化処理に限らず、成膜処理、エッチング処理等種々の処理に適用可能である。さらに、プラズマ処理を行う被処理体としては、半導体ウエハに限らず、フラットパネルディスプレイ基板等、他のものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、半導体デバイスの製造工程における酸化処理、成膜処理、エッチング処理等、低電子温度および高密度のプラズマが求められるプラズマ処理に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を模式的に示す断面図。
【図２】平面アンテナの構造を示す図。
【図３】遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、およびプラズマで形成される等価回路を示す図。
【図４】マイクロ波透過板の厚さを説明するための図。
【図５】本発明のマイクロ波プラズマ処理装置におけるプラズマ透過板表面の電界分布のシミュレーション結果を示す図。
【図６】本発明のマイクロ波プラズマ処理装置における電子温度分布の測定結果を示すグラフ。
【図７】本発明のマイクロ波プラズマ処理装置における電子密度分布を示す図。
【図８】本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置と、従来のマイクロ波プラズマ処理装置とで、マイクロ波透過板表面でのマイクロ波電界強度をシミュレーションした結果を示す図。
【符号の説明】
【００６８】
１…チャンバー（処理室）
２…サセプタ
３…支持部材
５…ヒータ
１５…ガス導入部材
１６…ガス供給系
２３…排気管
２４…排気装置
２５…搬入出口
２６…ゲートバルブ
２８…マイクロ波透過板
２９…シール部材
３１…平面アンテナ
３２…マイクロ波放射孔
３３…遅波板
３７…導波管
３７ａ…同軸導波管
３７ｂ…矩形導波管
３９…マイクロ波発生装置
４０…モード変換器
５０…プロセスコントローラ
１００…プラズマ処理装置
Ｗ…半導体ウエハ（被処理体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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